Исследователи обнаружили, как у спутника Плутона Харона появилась ярко-красная полярная шапка. Таким образом, для этого сложного процесса необходимы карликовая планета Плутон, времена года, космическое УФ-излучение и солнечный ветер. В два этапа эти компоненты работают вместе, сначала превращая метан в этан, а затем в более сложные красноватые молекулы толина. В то же время исследование показывает, что осень и весна на спутнике Плутона вызывают удивительно динамичное перераспределение материи.
Карликовая планета Плутон и ее большой спутник Харон долгое время оставались неизвестными в Солнечной системе, представляя собой крошечные размытые точки даже в самые мощные телескопы. Только посещение космического корабля НАСА «Новые горизонты» в 2015 году раскрыло удивительные подробности о далекой карликовой планете и ее ближайшем спутнике, который почти такого же размера. Среди них была ярко-красная полярная шапка на Хароне: почти вся область за 70-м градусом северной широты покрыта красноватыми отложениями.
Откуда берется красный цвет?
Красноватый цвет полярных отложений заставил ученых-планетологов заподозрить, что они могут быть толинами, органическими молекулами, образующимися при фотохимическом разрушении углеводородов, таких как метан и этан, ультрафиолетовым излучением. Такие толины придают плотной атмосфере спутника Сатурна Титана, среди прочего, оранжево-красный цвет.
Единственная проблема: в отличие от своего соседа Плутона, на Хароне почти нет атмосферы - и почти нет метана. Однако в 2016 году планетологи выяснили, что Плутон снабжает свою луну этим сырьем: карликовая планета постоянно теряет метан в космос за счет дегазации, части которого затем попадают в гравитационное поле Харона и замерзают там на его ночной стороне. Там, как считалось, метановый лед затем превращается в толины под воздействием ультрафиолетового излучения.
Принесение химии Харона на Землю
Но все не так просто, как выяснили исследователи во главе с Куртом Ретерфордом из Юго-западного научно-исследовательского института в Техасе. Для своего исследования они воссоздали условия на поверхности Харона в специальной вакуумной камере и в компьютерном моделировании. Это позволило им понять, что происходит с метаном на лунной поверхности под влиянием времен года, диффузного УФ-излучения межпланетных молекул водорода и солнечного ветра.
Эксперименты показали: вопреки тому, что считалось, метан, поступающий с Плутона, не замерзает равномерно и медленно на северном полюсе Харона. Вместо этого происходит значительное перераспределение метана во время коротких переходов между летом и зимой. За это время, длящееся менее года, вокруг спутника Плутона образуется временная разреженная метановая атмосфера, которая затем снова замерзает над уже темной северной полярной областью.
Полярная зима: от метана к этану
«Эти резкие сезонные вспышки в тонкой атмосфере Харона имеют решающее значение для понимания формирования красной полярной зоны Харона», - говорит коллега Ретерфорда Уджвал Раут. Потому что эксперименты показали, что на Северном полюсе за короткое время откладывается слой метанового льда толщиной в несколько десятков микрометров. Однако этот слой слишком толстый и растет слишком быстро, чтобы превратиться в толин под действием диффузного космического УФ-излучения в течение северной зимы.
Причина: еще до того, как может произойти этот многоступенчатый химический процесс, верхний слой покрывается новым метаном и, таким образом, освобождается от влияния радиации, как объясняет команда. Вместо этого их эксперименты и модели предполагают, что метановый лед сначала превращается в этан во время темной полярной зимы, которая длится более 100 лет. Этот углеводород накапливается преимущественно в верхнем слое метанового льда.
Полярное лето: от Итана до Толинена
Только тогда следует решающий шаг в формировании красных толинов: вопреки предыдущим предположениям, это происходит только тогда, когда северная полярная область Харона снова освещается солнцем. Затем оставшийся метан снова выделяется, но не этан: «Этан менее летуч, чем метан, и поэтому остается замороженным на поверхности Харона еще долго после весеннего восхода солнца», - объясняет Раут.
В результате этановый лед теперь попадает под влияние заряженных частиц солнечного ветра - и они запускают дальнейшие химические превращения: «В течение примерно 30 лет полярного лета, солнечный ветер может сделать это ранее из этанового льда, генерируемого альфа-излучением Лаймана, чтобы вступить в реакцию и произвести сложные молекулярные структуры, которые производят красный цвет», - объясняют исследователи.
Конвертация в два этапа
Красная полярная шапка спутника Плутона Харона является продуктом двух этапов трансформации, которые происходят в разное время, как обнаружили Ретерфорд и его команда. Осенью и зимой метан вымерзает и откладывается на северном полюсе Харона. Рассеянное космическое ультрафиолетовое излучение превращает часть этого метана в более стойкий этан.
Как только полярная область снова облучается солнцем, сочетание потепления и солнечного ветра заставляет этан реагировать дальше с образованием толинена, в то время как оставшийся метановый лед испаряется. По мнению исследователей, подобный процесс может иметь место и на других ледяных, богатых метаном небесных телах.